不同加載條件下含預(yù)制單裂隙巖石強(qiáng)度和變形特性研究

鮮于文攀 呂小波 趙其華 韓剛

摘 要：為揭示不同加載條件下含預(yù)制單裂隙巖石強(qiáng)度和變形特性，配制相似材料，分別預(yù)制裂隙傾角α為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，設(shè)置側(cè)壓為0，5，10 MPa，在常規(guī)壓縮、循環(huán)加卸載條件下開展試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)加卸載對巖樣有弱化作用，其峰值強(qiáng)度小于同條件下常規(guī)加載的巖樣。試驗(yàn)中一共觀察到9種貫通模式。常規(guī)加載時(shí)，當(dāng)α≥45°時(shí)，貫通模式以張性貫通為主；當(dāng)α<15°時(shí)，貫通模式以剪性貫通為主；當(dāng)α為15°、30°時(shí)，貫通模式以張剪性貫通為主。循環(huán)加卸載時(shí)，更容易發(fā)生剪性貫通。巖樣變形過程中，由PIV粒子成像測速系統(tǒng)導(dǎo)出的流場可知，產(chǎn)生裂紋的區(qū)域位移方向線都發(fā)生顯著變化，但并非所有位移發(fā)生變化的區(qū)域都會形成裂紋，只有當(dāng)位移矢量差達(dá)到一定值時(shí)裂紋才會產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：裂隙巖石；變形特性；峰值強(qiáng)度；雙軸加載試驗(yàn)；循環(huán)加卸載試驗(yàn)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0124-06

Abstract： It reveals the strength and deformation characteristics of rock with single pre-existing fissures under different loading conditions（conventional compression and cyclic loading test） by means of preparing similar materials. The inclination angle of pre-existing fissure α is 0°， 15°， 30°， 45°， 60°， 75°， 90° and the lateral pressure is 0， 5， 10 MPa respectively . The cyclic loading and unloading have a weakening effect on the rock sample， and its peak strength is less than that of conventional loading under the same conditions. Totally 9 coalescence modes are observed in the test. Under normal loading test， the coalescence mode is main tensile coalescence （α is greater than or equal to 45°）， shear coalescence（α is lower than 15°） and tensile-shear coalescence（α is 15° or 30°）. Tensile coalescence is more possible to happen in cyclic loading and unloading test. In the process of rock deformation， the displacement direction lines have significant changes in the region with fissures according to flow field exported by PIV particle imaging velocimetry system. But not all the regions with displacement changed will form fissures but when the displacement vector difference reaches a certain value.

Keywords： crack rock； deformation characteristics； peak strength； biaxial compression test； cyclic loading and unloading test

0 引 言

巖體是自然界最重要的構(gòu)成要素之一，由眾多規(guī)模不一、產(chǎn)狀不同的結(jié)構(gòu)面縱橫切割而成，是具有一定結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，它包括了從微觀到細(xì)觀直至宏觀的各種尺寸缺陷[1]。由于長期的構(gòu)造地質(zhì)作用，巖體的連續(xù)性和完整性遭到破壞，巖體內(nèi)部缺陷的不斷擴(kuò)展和貫通行為將對巖體力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致巖體最終失穩(wěn)破壞。很多學(xué)者對節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)、變形特性和破壞模式等進(jìn)行了大量研究，一般采用含預(yù)制裂隙的相似材料來模擬含節(jié)理的天然巖體。如文獻(xiàn)[2-5]通過采用水泥砂漿作為相似材料來模擬天然巖體。陳新等[6]、白世偉等[7]采用石膏混合料模擬斷續(xù)節(jié)理巖體。相似材料能較好地反映原巖的物理力學(xué)性能，且易于制作各種固定形式的節(jié)理，而被廣泛應(yīng)用于模型試驗(yàn)。

裂隙巖石峰值強(qiáng)度受多種因素影響。孫朝陽[8]通過相似材料模型試驗(yàn)，分析了不同裂隙角度對巖體強(qiáng)度的影響，得出試件的峰值強(qiáng)度隨裂隙角度的增大表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。楊圣奇等[9-10]對含有三維裂紋的大理巖進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了圍壓對斷續(xù)裂隙大理巖強(qiáng)度的影響。林卓英[11]、胡盛斌等[3]著重研究了巖石在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度特征，得出巖石在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度低于其靜力強(qiáng)度。

對于裂隙巖石變形特性研究。李銀平等[12]對含預(yù)制裂紋大理巖塊試件進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，觀察到預(yù)制裂紋尖端萌生有張拉型的翼型裂紋、壓剪型的次生裂紋和翼裂反向裂紋，得出原生裂紋的方位對產(chǎn)生何種裂隙有顯著的影響。陳蘊(yùn)生等[13]利用CT識別技術(shù)對節(jié)理試樣加載過程進(jìn)行全程掃描，獲得裂紋被擠密、翼裂紋擴(kuò)展和最終貫通破壞的演化過程。

國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了單軸壓縮、三軸壓縮條件下裂隙巖石的強(qiáng)度和變形特性。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，較少學(xué)者對雙軸壓縮、雙軸循環(huán)加卸載條件下裂隙巖石的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行研究。本文對一種類玄武巖性質(zhì)的脆性巖石材料進(jìn)行常規(guī)和循環(huán)雙軸壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了裂隙傾角和加載條件對裂隙巖石強(qiáng)度和變形特性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇及試樣設(shè)計(jì)

配制類玄武巖相似材料，材料配比沿用課題組已有成果[14]，其質(zhì)量比為水泥∶石膏∶重晶石粉∶石英砂∶水∶早強(qiáng)劑∶防水劑=35%∶8%∶12%∶30%∶14%∶0.6%∶0.4%。相似材料的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)可查閱文獻(xiàn)[14]。制作42個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的含預(yù)制單裂隙巖樣。采用抽條法預(yù)制裂隙，云母片充填裂隙，預(yù)制裂隙厚0.5 mm，模擬含閉合單裂隙巖石。裂隙巖石加載示意圖如圖1所示，α為裂隙傾角，θ為裂紋起裂角。裂隙傾角α分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。試樣命名為N（X/C）-X-Y，其中N代表加載方式（X代表循環(huán)加卸載，C代表常規(guī)加載），X為裂隙傾角，Y為側(cè)壓值。如C-15-5代表裂隙傾角為15°，側(cè)壓為5 MPa，采用常規(guī)加載的巖樣。模型材料可認(rèn)為近似類玄武巖相似材料，去玄巖和模型材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載設(shè)備采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YDS-3型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)（計(jì)算機(jī)自動控制加載），采用PIV粒子成像測速系統(tǒng)記錄巖樣表面變形全過程，PIV粒子成像測速系統(tǒng)與加載系統(tǒng)同時(shí)開啟，以5幀/s的頻率采集照片，軸向應(yīng)力與采集照片具有一一對應(yīng)性。YDS-3型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)能較好地滿足試驗(yàn)的需求，如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

進(jìn)行常規(guī)加載試驗(yàn)和循環(huán)加卸載試驗(yàn)，側(cè)壓設(shè)置過小或增加幅值過小，峰值強(qiáng)度增加并不明顯，離散性較大，經(jīng)過課題組前期的不斷調(diào)試和試驗(yàn)，最終將側(cè)壓值設(shè)置為0，5，10 MPa，控制方式采用應(yīng)力控制，加載速度0.5 MPa/s。常規(guī)加載時(shí)，側(cè)向和軸向同時(shí)加載，側(cè)向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，停止加載并保持穩(wěn)定，軸向持續(xù)加載直到巖樣破壞。循環(huán)加卸載試驗(yàn)時(shí)，側(cè)向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值后保持穩(wěn)定；由于起始循環(huán)值的大小對峰值強(qiáng)度的影響較小，且為了保持一定的循環(huán)次數(shù)，設(shè)為完整巖樣峰值應(yīng)力的25%即15 MPa，軸向采用等增幅加載，每級荷載增加10 MPa，軸向起始卸載值為25 MPa，卸載到15 MPa。如，當(dāng)側(cè)壓值為10 MPa時(shí)，應(yīng)力路徑為：側(cè)向0-10 MPa；軸向：0-25 MPa-15 MPa-35 MPa-15 MPa-45 MPa-15 MPa-55 MPa-15 MPa-破壞。

2 強(qiáng)度特性

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

常規(guī)壓縮條件下，巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，由于篇幅有限，循環(huán)加卸載條件下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅呈現(xiàn)一個(gè)巖樣（X-90-10）。巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1）所有巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過短暫的壓密階段（上凹）后，均長期處于彈性變形階段（線性）。軸向應(yīng)力達(dá)到巖樣峰值應(yīng)力后，巖樣迅速失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。

2）循環(huán)加卸載時(shí)，卸載曲線與加載曲線形成明顯的滯回環(huán)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外包絡(luò)線與常規(guī)加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似。

3）側(cè)壓越大，壓密階段與彈性變形階段的分界點(diǎn)越明顯。

2.2 各因素對峰值應(yīng)力的影響

不同應(yīng)力條件下，巖樣峰值強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)情況如圖3所示。從圖中可得：1）無論是常規(guī)加載還是循環(huán)加卸載，側(cè)壓一定時(shí)，裂隙傾角與峰值強(qiáng)度均呈現(xiàn)出V形關(guān)系，當(dāng)裂隙傾角為45°時(shí)，巖樣峰值強(qiáng)度最?。?）加載方式和裂隙傾角相同的巖樣，側(cè)壓越大，峰值強(qiáng)度越大，峰值強(qiáng)度增大的幅值隨側(cè)壓的增大而減小；3）裂隙傾角和側(cè)壓相同的巖樣，循環(huán)加卸載時(shí)巖樣的峰值強(qiáng)度小于常規(guī)加載時(shí)巖樣的峰值強(qiáng)度。

3 變形特性

3.1 巖樣裂紋貫通模式

本次試驗(yàn)中，多數(shù)試樣破壞時(shí)均出現(xiàn)了不同程度的裂紋貫通。一共觀察到9種貫通模式（見表3），與已有研究成果類似，裂紋貫通模式大致可劃分為張性貫通（T）、剪性貫通（S）、張剪復(fù)合貫通（T+S）3類。為了能更好地觀察預(yù)制裂隙端部萌生的初始裂紋，某些試樣預(yù)制裂隙端部涂抹了一層薄的白色乳膠漆。

3.2 各因素對貫通模式的影響

表4列出了所有試樣裂紋貫通模式（巖樣表面裂紋未貫通的巖樣未做統(tǒng)計(jì)）。從試驗(yàn)結(jié)果分析可得：1）常規(guī)加載時(shí)，當(dāng)預(yù)制裂隙傾角≥45°時(shí)，貫通模式以張性貫通為主；當(dāng)預(yù)制裂隙傾角<15°時(shí)，貫通模式以剪性貫通為主；當(dāng)預(yù)制裂隙傾角為15°、30°時(shí)，貫通模式以張剪性貫通為主。循環(huán)加卸載時(shí)，剪性裂紋萌生的幾率增加，各類傾角的巖樣都萌生了不同程度的剪性裂紋（60°巖樣除外）。2）雙軸加載條件下，無論是常規(guī)加載還是循環(huán)加卸載，側(cè)壓增大，剪性裂紋的發(fā)育都逐漸占主導(dǎo)地位。

3.3 巖樣的變形過程

根據(jù)位移場的分布規(guī)律，分析裂紋的發(fā)展過程及裂紋屬性。裂紋分類依據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究成果，如圖4所示。當(dāng)位移趨勢線產(chǎn)生反向的位移分量，或者位移同向，但后者位移值較前者小時(shí)由于相對拉伸，均會產(chǎn)生拉裂紋（圖4（a））；當(dāng)位移分量同向，但后者位移值較前者大時(shí)由于擠壓作用會產(chǎn)生剪裂紋（圖4（b））。

從所測結(jié)果看，PIV粒子成像測速系統(tǒng)測得的位移場規(guī)律性較好。通過將各個(gè)時(shí)刻巖樣表面照片與其對應(yīng)的位移場進(jìn)行疊加分析其變形特性。圖5為巖樣C-45-0試驗(yàn)過程中裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通的位移場。圖中箭頭所指的方向?yàn)樵擖c(diǎn)發(fā)生位移的方向，箭頭長度和顏色都代表該點(diǎn)發(fā)生位移的大小。裂紋萌生階段（圖5（a）），預(yù)制裂隙下端萌生了一條光滑的拉裂紋，但這條宏觀裂紋要通過放大圖片才能清晰可見，文中僅呈現(xiàn)了裂紋起裂的示意圖。裂紋擴(kuò)展階段（圖5（b）），初始萌生的裂紋持續(xù)發(fā)展。在預(yù)制裂隙上端部發(fā)育一條翼裂紋1，在位移場中可見翼裂紋1兩側(cè)的位移出現(xiàn)不連續(xù)：其上部各點(diǎn)整體向左下方滑動，下部區(qū)域各點(diǎn)整體向右下方移動（與圖5（a）類似）。在預(yù)制裂隙右端發(fā)育有一條明顯的張裂紋2，該裂紋周圍的位移方向線也發(fā)生了明顯的變化：其左端各點(diǎn)整體向下移動，下端各點(diǎn)整體向右偏下方移動（與圖4（b）類似）。裂紋貫通階段（圖5（c）），隨著加載的繼續(xù)增大，裂紋1和2持續(xù)發(fā)育，且主要沿著位移矢量差的分界面向邊界擴(kuò)展直至貫通，形成一個(gè)宏觀貫通破壞面。此外，在預(yù)制裂隙上端部向下萌生了一條裂紋3并迅速擴(kuò)展至巖樣邊界。從位移場可以看出，裂紋3是基于兩側(cè)存在較大的位移矢量差而萌生并發(fā)育而成。

圖6為巖樣C-90-0試驗(yàn)過程中裂紋起裂、擴(kuò)展和貫通的位移場。裂紋萌生階段（圖6（a）），僅呈現(xiàn)出裂紋起裂示意圖。在擴(kuò)展階段（圖6（b）），可以看到預(yù)制裂隙上下端部發(fā)育有兩條明顯的張裂紋1和2，在預(yù)制裂隙兩側(cè)的位移明顯不連續(xù)：裂隙左側(cè)各點(diǎn)整體向左下方移動，右側(cè)各點(diǎn)整體向右下方移動，且在裂隙的下端部位移矢量差最為明顯，從而首先在裂隙下端部形成張拉型裂紋1。裂紋2的形成機(jī)理與1相似，在此不再贅述。隨著加載增大，裂紋1和2持續(xù)發(fā)育，直至與邊界貫通，試樣破壞。

位移場反映了裂隙尖端起裂、裂紋擴(kuò)展直至最后貫通破壞的發(fā)展全過程。從試樣各階段的位移場也可以看出并非所有位移方向線發(fā)生變化的分界面都會產(chǎn)生裂紋，只有當(dāng)位移矢量差達(dá)到一定值時(shí)才會產(chǎn)生宏觀裂紋，位移方向線的變化是產(chǎn)生裂紋的必要條件。

4 結(jié)束語

本文采用相似材料模型試驗(yàn)，研究了不同加載條件下含預(yù)制單裂隙巖石的強(qiáng)度和變形特性，主要結(jié)論如下：

1）各加載條件下，巖樣峰值強(qiáng)度大小依次為：常規(guī)雙軸加載試驗(yàn)>循環(huán)雙軸加卸載試驗(yàn)>常規(guī)單軸加載試驗(yàn)>循環(huán)單軸加卸載試驗(yàn)。側(cè)壓增大，巖樣峰值強(qiáng)度增大，但增加幅值減小，試樣的壓密階段與彈性變形階段的分界點(diǎn)越明顯。裂隙傾角α為45°時(shí)，巖樣峰值強(qiáng)度往往最小。

2）試驗(yàn)中一共觀察到3大類、9小類貫通模式：2類張性貫通，2類剪性貫通，5類張剪性貫通。

3）常規(guī)加載時(shí)，當(dāng)α≥45°時(shí)，裂紋貫通模式以張性貫通為主；當(dāng)α<15°時(shí)，裂紋貫通模式以剪性貫通為主；當(dāng)α為15°、30°時(shí)，貫通模式以張剪性貫通為主。循環(huán)加卸載時(shí)，剪性裂紋萌生的機(jī)率增加，各類傾角的巖樣都萌生了不同程度的剪性裂紋（60°巖樣除外）。

4）雙軸加載條件下，無論是常規(guī)加載還是循環(huán)加卸載，側(cè)壓增大，剪性裂紋的發(fā)育都逐漸占主導(dǎo)地位。

5）巖樣變形過程中，產(chǎn)生裂紋的區(qū)域位移方向線都發(fā)生顯著變化，但并非所有位移發(fā)生變化的區(qū)域都會形成裂紋。只有當(dāng)位移矢量差達(dá)到一定值時(shí)裂紋才會產(chǎn)生。

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（編輯：李妮）